用于光互連的基于硅納米線波導(dǎo)的陣列波導(dǎo)光柵的研究.pdf

1、隨著信息處理容量和處理速度的爆炸式增加，高性能計(jì)算機(jī)和高端服務(wù)器得到了飛速發(fā)展，CPU的級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)和它們之間的數(shù)據(jù)傳輸帶寬逐年增加。在不久的將來， CPU之間的數(shù)據(jù)互連帶寬將達(dá)到Tbit/s的量級(jí)，然而基于金屬傳導(dǎo)的電互連技術(shù)在尺寸和功耗方面都不可能實(shí)現(xiàn)該需求，面臨著不可逾越的“電子瓶頸”?；诠韫庾訉W(xué)的光互連技術(shù)以光子為信息載體，不僅具有超高帶寬、超快傳輸速率、抗電磁干擾和低能耗等優(yōu)勢，還使得超緊湊、高集成度的光子器件成為可能。具有波分

2、復(fù)用功能的光子器件由于在單根光波導(dǎo)中能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長的多路信號(hào)傳輸，是硅光子學(xué)光互連系統(tǒng)中非常重要的元件單元。本論文將主要研究基于硅納米線波導(dǎo)的波分復(fù)用器件:陣列波導(dǎo)光柵(AWG)。
　　首先介紹了硅納米線波導(dǎo)中光傳輸?shù)幕拘再|(zhì)以及其制作工藝流程。由于硅芯層(nsi=3.48@1550nm)和二氧化硅(nsio2=1.45)包層之間的高折射率差，使得光場被強(qiáng)限制在波導(dǎo)中，光在波導(dǎo)中傳輸?shù)膹澢霃娇梢孕〉?μm，大大降低了基于硅納

3、米線波導(dǎo)的器件的尺寸，為高密度的光子集成提供了可能。但是，正是這種高折射率差的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得硅納米線波導(dǎo)對(duì)工藝誤差引起的側(cè)壁粗糙非常敏感，并具有非常大的偏振相關(guān)性和溫度相關(guān)性。
　　接著介紹了基于硅納米線波導(dǎo)的AWG的基本性質(zhì)，給出了其分別做為路由器和復(fù)用/解復(fù)用器時(shí)的設(shè)計(jì)步驟以及如何利用半解析的形式來快速實(shí)現(xiàn)它的仿真，并分析了硅納米線AWG中損耗和串?dāng)_的主要來源。
　　結(jié)合蝕刻衍射光柵和傳統(tǒng)AWG的結(jié)構(gòu)布局，并考慮到硅納米

4、線波導(dǎo)本身的特質(zhì)，提出了一種解決基于硅納米線波導(dǎo)的AWG的偏振相關(guān)性問題的方法。重點(diǎn)介紹了該方法的原理和使用的結(jié)構(gòu)，并給出了該方法在細(xì)波分復(fù)用(DWDM)和粗波分復(fù)用(CWDM)應(yīng)用下的設(shè)計(jì)步驟和仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一個(gè)面向CWDM光互連應(yīng)用的偏振補(bǔ)償?shù)墓杓{米線AWG，它具有5個(gè)通道且相鄰?fù)ǖ篱g距為20nm，測試得到它的最大偏振相關(guān)波長偏移(PDλ)從理論分析的380-420 nm減小到了0.5-3.5 nm，相比于各通道的3dB帶寬值

5、(約為12nm)較小。
　　利用越級(jí)衍射的設(shè)計(jì)原理，我們?cè)赟OI平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了具有尺寸大小僅為0.18×0.12 mm2的AWG單纖三向復(fù)用器(triplexer)。初期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該AWG triplexer具有非常大的偏振相關(guān)性。利用本文提出的偏振補(bǔ)償方法和AWG triplexer在無源光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用環(huán)境，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)適用于光網(wǎng)絡(luò)單元的偏振補(bǔ)償AWG triplexer，實(shí)驗(yàn)顯示它在1490 nm和1550nm通道的PD

6、λ小于2.5 nm，對(duì)于ONU單元應(yīng)用來說，該值已經(jīng)非常小。雖然1310nm通道的PDλ很大，但它可以通過混合集成技術(shù)或者是保偏光纖來實(shí)現(xiàn)和激光器的連接。
　　最后我們研究了利用馬鞍形結(jié)構(gòu)的陣列波導(dǎo)布局并結(jié)合單模波導(dǎo)和多模波導(dǎo)的混合組成方式來提高硅納米線AWG的性能，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了一個(gè)8×400G的馬鞍形結(jié)構(gòu)AWG，它的串?dāng)_優(yōu)于-18dB。同時(shí)，基于馬鞍形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及結(jié)合具有高反射率的布拉格反射器(DBR)，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于硅納米線波